太空探索拥有无限可能:大数据介入天文学

文章作者:bianji3 | 2018-07-06
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 据国报道,海量数据正改变人类观察宇宙的方式。人们一直认为天文学就是一门观测星空的科学,但如今各种来源提供的无尽信息产生了一种分析太空的新途径。

  最近,在《自然》杂志上发表了两项有趣的新发现:

  我们早已知道,在银河系的中心包含了一个质量为太阳400万倍的超大质量黑洞——人马座A*(Sgr A*)。根据恒星动力学的理论预测,在人马座A*附近也应该存在大量的恒星级黑洞(一般质量介于5 - 30倍的太阳质量)。通过对钱德拉X射线太空望远镜的数据进行分析,天文学家首次找到了这些黑洞存在的观测证据

 

  位于正中间的是人马座A*,红色圈内是新发现的12个包含了恒星级黑洞的X射线双星,黄色圈内则是其它的X射线源。| 图片来源:NASA/CXC/Columbia Univ。/C。 Hailey et al。

  研究人员一直相信欧罗巴(Europa,木卫二)在它那红白花斑的冰壳之下有可能埋藏了一个液态海洋。而就在一项刚发表在《自然-天文》的论文中,科学家从伽利略号探测器的数据中找到了欧罗巴将液态水喷射到太空的证据

欧罗巴上的喷泉。| 图片来源:NASA/ESA/K。 RETHERFORD/SWRI

  这两个看似毫无关联的研究,却有着一个共同之处:两项发现都是基于对长期存档的旧数据进行挖掘时才发现的,而不是来自什么最先进的望远镜。

  随着“大数据”时代改变了科学研究的方式,像这样的发现只会变得更加普遍。天文学家每天都收集到的新数据量几乎呈指数增长,这通常需要数年的时间才能发现深藏在这些文档中的所有信息。或许,下一个天文学的重大发现就隐藏在这些旧数据中,只是我们还不知道。

  天文学的演化

  六十多年前,典型的天文学家通常独自工作,或者在一个小团队中工作。很可能在他们所属的院校机构中,有一台体积庞大的地面光学望远镜供他们使用。

  他们的观察很大程度上都仅限于光学波段——大致就是肉眼可见的波段。这意味着他们错过了大量天体物理源发出的信号——从低频的射电波一直到高能的伽马射线。在那时的大多数情况下,如果你想从事天文学,那你就必须得是一个学者,或者就是一位喜欢仰望星空的富人,这样才有机会使用一个好的望远镜。

  旧数据会以照片底片或已出版的目录的形式存储。但从其他天文台获取档案会很困难——而对业余天文学家来说,基本上是不可能的。

  现在,有的天文台可以覆盖整个电磁频谱。这些最先进的天文台不再只由一个单一机构运作,往往需要涉及到多国科学家的共同努力。

  随着数字时代的到来,几乎所有数据都会在被获取不就之后公开。这使得天文学非常“民主”:任何人都能够重新分析几乎任何数据集,从而创造新的发现。比如,你也可以查看在人马座A*附近发现的恒星级黑洞的数据。

  这些天文台都产生了惊人的数据量。例如,自1990年哈勃太空望远镜运行以来,已完成了超过130万次的观测,每周传输的原始数据约为20GB,这对于一个设计于1970年代的望远镜来说,是十分令人钦佩的。现在位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵列(ALMA),预计每天会能产生2TB的数据。

  ALMA的森田阵列。截止2018年4月,利用ALMA的数据已经产生了1000篇通过同行审议的论文。| 图片来源:ALMA

  数据大爆炸

  已有的天文学数据档案已经非常庞大了,但我们即将迎来的会是更加爆炸式的情况。

  无论是因为技术改进的原因,还是因为天文学任务变得更大,每一代的天文台通常至少比之前的要灵敏10倍。根据新任务运行的时间长短,它在同一波段能探测到的天体源的数量,是此前任务的数百倍。

  例如,将早期的EGRET伽玛射线天文台(于1990年代升空)与NASA的一流任务Fermi伽玛射线空间望远镜(于10年前发射)相比, EGRET仅在天空中探测到约190个伽马射线源,而Fermi的探测数量已经超过5000个。

  正在智利建设中的大型综合巡天望远镜(LSST)是一种光学望远镜,它将每隔几夜就对整个天空进行拍摄。届时,它极高的灵敏度,能在每晚产生大约一千万条警报,从而在10年后产生的目录数据大小超过15PB(1PB = 1000TB)。

  当平方公里阵(SKA)在2020年建成之后,将成为世界上最灵敏的望远镜,足以探测到建立在距离地球50光年远的外星文明上的机场雷达站。只需短短的一年,它就能产生比现在整个互联网还多的数据。

  这些雄心勃勃的项目将考验科学家处理数据的能力。图像需要可以被自动化处理——这意味着数据需要被减小到易操控的大小、或直接转变成成品。新的天文台正在推进计算能力的边界,它需要的是每天能处理数百TB数据的设施。

  解锁新科学

  数据洪流将使天文学变得比以往任何时候都具有协作性和开放性。由于互联网档案、强大的学习社区和新的推广计划的存在,现在公民都有机会参与科学。例如,通过电脑程序Einstein@Home[3],任何人都可以用自己的电脑在空闲时间内帮助科学家从合并的黑洞中搜寻引力波

  对科学家来说,这也是一个令人激动人心的时刻。天文学家经常从事的工作是,在宽广到超出人类生命长度的时间尺度上,研究那些无法在“真实”时间中发生的物理现象。像典型的银河合并事件可能需要数亿的时间年。而我们所能捕捉到的只是一个瞬间,就像车祸视频中被截取的某一帧。

  但是,也有一些现象会出现在更短的时间尺度内,它们仅需几十年、几年甚至几秒钟的时间就可以发生。这也是为什么科学家能够在新的研究中发现一大群的黑洞的原因。

  马里兰大学的物理学助理教授Eileen Meyer在她的研究中,利用哈勃档案的数据制作了与“喷流”有关的动态视频(喷流是从黑洞中喷射出的高速等离子束)。她用超过400张、时间跨度为13年的原始影像,将附近星系M87的喷流制作成视频。这一视频首次显示了等离子体的扭摆运动,表明了喷流具有螺旋结构。

  ALMA的森田阵列。截止2018年4月,利用ALMA的数据已经产生了1000篇通过同行审议的论文。| 图片来源:ALMA

  而这项研究之所以成为可能,完全得益于在更早的时候,别的观测者出于其它目的对她所感兴趣的天体进行了拍摄这一事实。随着天文图像变得越来越大、分辨率越来越高、越来越灵敏,这种研究将会成为常态。

  数据天文学不只是为了寻找彗星、小行星,它可以帮助研究者们寻找遥远的、适合生命生存的行星,或是寻找一些宇宙中最远古星体的线索。当前天文数据正变得更加开放、更易理解,天文学界的范畴随着电脑技术的介入而不断扩大。或许将来我们会在那些旧数据中会找到更多有趣、重大的天文发现。

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